气动弹射式过山车控制系统设计

张晶亮

中煤科工集团上海有限公司，上海，200030

0 引言

过山车作为游乐园中的一项明星项目，受到广大游客的广泛欢迎[1]。其作为滑行车类游艺机的一种，具有高空、高速、高刺激性的特点[2]。目前过山车的高速、高刺激性主要是由乘客装置被缓慢提升至最高点后，从高空俯冲而下时将高势能转化为高动能、转化成高速，以及运行过程中的俯冲、变速、变向等带来的。

本文采用气动弹射系统，将缓慢提升环节转换为高速弹射环节，将乘客装置在3~4s内以约2.5g（g为重力加速度）的加速度从零速加速至75km/h，使其以高速在6~7s内弹射至45m最高点，然后从高空俯冲而下。根据弹射工艺、安全保护要求，设计了相应的气动及其控制系统。

1 系统组成

常规过山车由动力装置、轨道、制动装置、提升系统、车辆（乘客装置）、控制系统等部分组成[1]。本文所述气动弹射式过山车主要组成系统与常规过山车一致，其唯一区别为提升系统的不同。

常规过山车提升系统为链式提升器，主要由交流电机、链条、链轮与减速器组成[1]。而本文所述提升系统为气动弹射系统，如图1~2所示，其主要由充气系统、发射系统、制动系统等几部分组成。

气动弹射式过山车主要参数如下：

乘客装置运行最高速度为75km/h；

发射时间约2.5s；

发射轨道长度约34m；

空压机功率为75kW；

发射至最高点时间约7s。

1.1 充气系统

充气系统是气动弹射式过山车的动力来源，其主要由额定功率75kW、额定充气压力12MPa的空压机、充气阀组组成。

1.2 发射系统

发射系统是气动弹射式过山车的关键部件，其主要由气缸组件（缓冲气缸、发射气缸）、绳轮（换向轮组、张紧轮组）、发射储气罐、发射蝶阀及其阀组等部件组成。发射装置的作用是利用快速释放发射储气罐储存的能量，将乘客装置快速提升至一定的高度，使乘客装置得到后续惯性运动的能量。

1.3 制动系统

制动系统由制动储气罐、刹车片组成，其主要作用是将高速运行的乘客装置减速直至停止。

2 控制方案

本系统主要控制节点为发射系统的控制，而气动系统的控制主要通过控制各类电磁阀件、蝶阀等完成，系统控制框图如图3所示。

2.1 硬件组成

控制系统的检测、逻辑控制、执行机构硬件主要由西门子S7-300可编程控制器（PLC）、压力传感器、位置检测传感器、电磁阀组等组成，并通过西门子MP277人机界面（HMI）完成参数的监视和设备的基本操作。

（1）S7-300可编程控制器。本系统数字量输入输出点数84点，模拟量输入点数6点。PLC300拥有实用性灵活、通用性强、可靠性强、抗干扰能力强等特点[3]，符合本系统信号传输低容错率、抗干扰等的需求。系统硬件配置为PS307电源模块、CPU 315-2DP模块、SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、SM331模拟量输入输出模块。

（2）压力传感器。发射罐设置3个1.6MPa压力传感器、制动罐设置2个1.0MPa压力传感器、缓冲缸设置1个1.0 MPa压力传感器完成整个系统的压力检测。

（3）位置检测传感器。利用P+F电感式接近开关NBN40-L2-E2-V2构建发射小车、乘客装置的位置检测装置。

（4）电磁阀组。整个系统设置36组电磁阀，分别完成发射小车发射、缓动、回位、发射、缓冲，以及发射罐充气、发射气缸放气、制动装置制动等功能。

（5）人机界面。WinCC作为一个新兴的工控组态软件，高效地将人机界面结合在一起，实现了监控功能[4]。本系统采用西门子MP277人机界面，并通过PROFIBUS DP通讯线将其和PLC连接，由WinCC进行组态，实现系统数据监控和操作。

2.2 控制系统功能

（1）压力监测。控制系统中主要检测发射罐、制动罐、缓冲缸3部分的压力。其中发射罐、制动罐为储气设备，为发射系统和制动系统提供压缩气体，当其内部压力小于设定值时需要由空压机开启充气，发射罐、制动罐分别由不同的阀组、压力传感器控制。而缓冲缸的压力检测，仅仅作为运行过程中的压力监视，不参与逻辑控制。

（2）位置检测。控制系统中位置检测由发射小车位置检测和乘客装置位置检测两部分组成。发射小车位置检测主要为初始位置检测和发射终端位置检测，乘客装置位置检测主要由站台位置检测、发射初始位置检测、到顶位置检测、进站位置检测几部分组成。控制系统通过各位置检测、压力检测之间的逻辑连锁判定充气系统、发射系统、刹车系统之间的运行逻辑和闭锁。

（3）阀组控制。气动系统的控制主要由控制相应电磁阀得电、换位完成，如表1所示，本设备在不同运行工况时阀组的得电、换位工作状态。

表1 阀组流程状态图

其基本工作流程是，控制系统判定站台发射准备就绪和乘客数量，系统收到该闭锁信号后确认发射准备，控制系统打开制动阀组将乘客装置下放至发射位置，同时发射罐充气至设定压力；为避免空发闭锁程序动作，由HMI提示允许发射，即进入发射流程。发射阀得电，蝶阀打开，发射储气罐中的压缩气体由发射气缸前部进入气缸内，推动活塞向气缸尾部运动，活塞和绳轮连接，进而带动发射小车和乘客装置向前发射；当发射小车发射一定行程后即关闭蝶阀，乘客装置和发射小车脱离，乘客装置达到最高速，然后爬升至轨道最高点；蝶阀关闭后，缓冲阀得电打开，高速向后运行的活塞进入缓冲气缸。

因缓冲缸内气体在活塞减速过程中会有压缩过程，当缓冲气缸气体压缩压力大于蝶阀关闭后发射气缸内压力时，活塞会结束缓冲向后运行过程进入向前运行；但当缓冲气缸气体压缩压力小于蝶阀关闭后发射气缸内压力时，活塞又进入向后运行；周而复始，活塞会在缓冲气缸和发射气缸之间往复震荡。为减少震荡过程，当蝶阀关闭时，同时打开发射气缸放气阀降低发射气缸压力。震荡结束（经多次试验，确定震荡时间），缓动阀得电动作，关闭放气阀、缓冲阀发射小车回位，到位后，关闭缓动阀，整个发射过程结束。

（4）监视操作。人机界面主要分为主操作界面、运行状态检测界面、故障信息和帮助3个界面。其中主操作界面完成压力检测、乘坐人员数量选择、发射准备及发射等功能；运行状态主要检测阀组、位置等状态信号；故障信息和帮助主要记录运行过程中的故障信息，并查询预设帮助信息取得常见的故障处理方法和设备使用说明。

2.3 安全控制

作为载人设备，其安全性尤为重要，必须在控制中考虑器件失效、意外弹射、弹射失败等意外情况的发生，而为避免此类事情的发生或发生时不产生事故，必须在控制上采取冗余和逻辑控制措施。

（1）传感器冗余。发射罐作为系统发射的能量提供者，其压力大小决定了设备的发射速度以及是否能够成功发射，也是设备安全运行的关键环节。本系统通过设置三个传感器，以三选二冗余数据建立“多数表决”逻辑，即通过“多数表决”方式来判断系统中是否有单元发生故障，并定位故障单元，然后采取相应的措施[5]。通过两两检测数据差值进行比较，以差值最小的两个传感器输入值的平均值作为传感器数据输出[6]。将该数据输出作为发射罐压力实时数据，以此来控制充气阀的开启、关闭，以及参与发射的逻辑控制。

（2）发射小车空发。气动弹射式过山车最危险的工况是发射小车在以带乘客装置时的发射压力将发射小车单独发出。理论计算是以乘客装置未乘人时所需的发射压力将发射小车单独发射，发射小车的最高速度能达到360km/h，此时发射小车犹如炮弹摧毁发射轨道上的一切障碍物，包括安全限位装置。为避免此类情况发生，将发射小车初始位置检测、乘客装置发射初始位置检测、发射小车和乘客装置挂钩检测、发射压力达到等进行连锁，且每个连锁信号均采用双冗余传感器信号，该连锁系统中所有冗余传感器均有信号时方允许发射，任何一个传感器无信号即停止发射并进行维护。

（3）蝶阀关闭。发射小车一旦发出，在蝶阀关闭前将会一直处于加速状态，必须及时关闭蝶阀，将其整个行程控制在发射轨道范围内避免超程冲出轨道。本系统中设置3组6个位置检测信号，分别为1组发射小车行程位置检测、1组发射小车极限位置检测、1组乘客装置位置检测，该6个位置检测信号与理论并经试验验证的发射时间进行并联控制，只要这7个信号中任何一个有信号即关闭蝶阀，停止发射。

3 软件设计

TIA Portal是西门子全新的全集成自动化软件，可在统一的开发环境中组态PLC、HMI，实现数据共享[7]。PLC程序设计利用其中的Step7编程软件编制控制程序，整个控制程序主要由OB1顺控程序、传感器冗余子程序、维护运行子程序、空发闭锁子程序、充气中断子程序等及其他辅助程序组成。HMI人机界面由WinCC中相应控件、元素进行画面组态，完成数据采集和管理、人机互动等功能。

4 结语

本文设计的气动弹射装置控制系统，在完成初步设计后，经过现场发射小车缓动、乘客装置空载发射、乘客装置乘坐不同人数以及满员等工况下的1000次模拟实验，在理论计算的基础上完成了乘客人数与发射压力、发射时间之间的关系数据采样并将之反馈到控制程序之中，更进一步完善程序逻辑控制的准确性，降低了设备空发、发射失败、发射超程等。